地鐵運營對周圍建筑振動實測研究

黃 良 基

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

地鐵運營對周圍建筑振動實測研究

黃 良 基

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

為解決軌道交通引起的環境振動問題，借助現代振動測試手段，以某市地鐵運營線路為背景，對地鐵運營引起的建筑內部振動進行了實測評價，結論可為相關課題的研究提供參考。

軌道交通，環境振動，實測分析

1 概述

環境振動問題并不是一個新問題，它一直貫穿著人類的歷史進程。而隨著城市軌道交通的普遍發展，環境振動問題才逐漸進入人們的視野，引起各界學者的關注。伴隨著軌道交通的發展和人們對生活質量要求的提高，軌道交通運行時引發的振動與噪聲污染問題引起了社會的高度關注，國際上已經把振動列為七大環境公害之一，主要表現為：1)對人生活、工作甚至健康的影響；2)振動對周圍建筑，特別是歷史性建筑的影響；3)振動對精密儀器和裝置的影響[1]。最近幾年來，由于城市軌道交通網的迅速發展，軌道交通引起的擾民事件時有發生。同時，軌道交通運行對沿線特殊建筑的影響情況也時有出現。因此，對地鐵引發的振動對周圍建筑影響的分析研究是非常有必要的。本文結合某市地鐵站附近某住宅樓的現場實測，進行了地鐵運營引起的環境振動實測分析。

2 測試方案及測試儀器介紹

在進行地鐵運營引起的環境振動現場測試前，應該確定一套合理的振動測試方案，包括振動測量儀器、測量條件及測量位置的選擇。振動測量的內容包括位移、速度和加速度三種振動量。在軌道交通振動測試中，由于列車激振荷載存在高頻分量，目前大多采用加速度傳感器。現場實測獲得環境振動強度的方法通常有兩種[2]：一是直接利用環境振動分析計進行現場實測，直接讀取振級數據；二是記錄加速度、速度或位移信號，然后再通過分析處理獲取振級等信息。本文采用的是第二種方法。測量時列車應處于正常運行狀態，應避免足以影響振動測量值的其他環境因素，如劇烈的溫度梯度變化、強電磁場、強風、地震或其他非軌道交通列車運行引起的振動干擾。振動測試傳感線布置在地鐵運營線路周圍的建筑物室內，每層布置一個測點，共布置6個測點。

3 振動分析評價的基本理論

分析中用到的基本理論有傅里葉變換的理論、1/3倍頻譜理論和振級計算理論[3]，具體如下。

3.1 離散傅里葉變換(DFT)

列車運行所引起的振動是隨機的，但它可以認為是一個具有零均值的各態歷經的平穩高斯過程。因此，現場測試所得的振動時程曲線可以視為許多不同頻率的正弦波疊加的結果，即可以用傅里葉級數的形式表示。由于實際采樣信號是離散的并且采樣信號的樣本長度是有限的，在對數字振動信號進行傅里葉變換時需要采用傅里葉變換的離散算法，即離散傅里葉變換(DFT)。其表達式為：

(1)

(2)

3.2 1/3倍頻程譜理論

1/3倍頻程譜是一種頻域分析方法，它具有譜線少、頻帶寬的特點。1/3倍頻程譜常用于聲學、人體振動、機械振動等測試分析以及頻帶范圍寬的隨機振動測試分析。倍頻程譜是由一系列頻率點以及對應這些頻率點附近頻帶內信號的平均幅值(有效值)所構成。這些頻率點稱為中心頻率fc,中心頻率附近的頻帶處于下限頻率fl與上限頻率fu之間。對于環境振動，一般常以1/3倍頻程譜進行評價。中心頻率及其上下限頻率之間的關系見下式：

(3)

3.3 振級計算理論

首先計算計權均方根(r.m.s)加速度aw，也稱為計權加速度有效值，單位為m/s2，計算公式如下[4]：

(4)

其中，aw(t)為計權加速度時程；T為測量時間長度，s。根據下式計算振級：

(5)

其中，a0為加速度標準值，10-6m/s2。

4 測試數據的分析與處理

對各測點進行測量，測得其加速度振動信號，由于篇幅關系，此處僅給出樓內典型測點的測試及分析結果，由于z向振動明顯大于x，y向，對人體和建筑影響較大的也是z向振動。因此，本次分析僅針對鉛垂z向(豎向)。典型測點的時域波形圖、功率譜圖和1/3倍頻圖，見圖1。

從以上測試及分析結果可以看出，地鐵引起的建筑物振動的中心頻率主要集中在40Hz～50Hz范圍內，1/3倍頻程圖中表現為倍頻程譜線較為平滑，表明振動在由軌道經土層傳播至建筑的過程，高頻成分較低頻成分衰減快；測點位置不同，振動最大值對應的中心頻率分布也有所不同，但差別不是很大。可以認為，建筑內部底層振動主要受大地振動影響，而高層則主要受樓房結構振動影響。

5 建筑物樓層內部振動規律分析

為了討論地鐵運營引起的建筑物內部樓層振動情況，根據振級計算理論，分別計算結構上測得的加速度時程信號的振級，得到振級沿樓層的分布圖。

從圖2中可以看出，振級沿樓層沒有明顯的增大或減小的趨勢，大多數樓層振動水平較1層小，但仍存在放大的情況(如2層)。由于振級隨樓層的變化還關系到結構類型，層高等因素，有待進一步討論。

6 結語

本文針對某市地鐵運營線路地鐵站附近某住宅樓，由于地鐵運營引起的振動進行了現場測試，對振動信號分析和總結，可以得到如下結論：

1)地鐵引起的建筑物振動的中心頻率主要集中在40Hz～50Hz范圍內，振動在由軌道經土層傳播至建筑的過程，高頻成分較低頻成分衰減快；

2)振級沿樓層沒有明顯的增大或減小的趨勢，由于振級沿樓層的分布關系到結構類型，層高等因素，有待進一步討論；根據測點頻譜統計分析可知，建筑內部底層振動主要受大地振動影響，而高層則主要受樓房結構振動影響；

3)本文測試工況有限，選取的建筑比較單一，今后需要更多工況的測試才能得出經驗性規律總結。

[1] 夏 禾，曹艷梅.軌道交通引起的環境振動問題[J].鐵道科學與工程學報,2004,1(1):44-51.

[2] 徐 建.建筑振動工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3] 張 昕.引起環境振動的實測和理論分析研究[D].上海:同濟大學博士學位論文,2002.

[4] 蔣 通.環境振動實測和分析中考慮多級振源影響的振級評價方法[J].城市軌道交通研究,2010(5):26-29.

Study on the building vibration caused by subway using vibration measurement

Huang Liangji

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to solve the environmental vibration caused by the rail traffic, with the help of modern vibration testing means, selecting a city subway lines in operation as the background, the structural internal vibration caused by the subway operation were measured and evaluated. The results can provide a useful reference for research on the analogous subject.

railway transport, environmental vibration, measurement and analysis

2015-01-14

黃良基(1993- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)09-0135-03

U231.92

A